简介

本文基于《GPS接收机原理与设计》谢钢，进行学习和分享。

GPS接收机原理与设计

一、导引

1.1 GPS起源

1957年10月4日，前苏联发送了世界上第一颗人造地球卫星，科学家通过跟踪和检测该卫星发射的信号，描绘出所接收的卫星信号的多普勒频移曲线图。

多普勒效应

站在火车轨道附近，蛋火车迎面开来时，我们听起来就会觉得火车鸣笛音调变高（注意是音调而不是响度），而当火车驶过我们而离去时，同样的鸣笛声听起来却音调变低。

科学的来说就是：多普勒效应是波源和观察者有相对运动时，观察者接受到波的频率与波源发出的频率并不相同的现象。

科学家认为如果在一个位置坐标已知的地面固定点上车辆微信信号的多普勒频移，那么根据这个值，我们就能推算出微信的运行轨道，这个想法被证实是正确的。

那么我们就思考可以得到一个逆命题：

如果微信的运行轨道是已知的，那么根据微信信号的多普勒频移测量值，我们反过来能推算出地面上这一测量点的位置

GPS的诞生和首战

其实最开始美国海军研究的海军导航卫星系统（NNSS）一共包含6颗卫星，这6颗卫星的运行轨道全部都通过地极，所以又叫子午卫星系统，后来GPS诞生用了很多子午卫星系统的构思，GPS研究初期被证实接收机在该系统中能获得很高的定位精度，后续在伊拉克的海湾战争中被美国空军首次使用，展现出了卓越的性能和非凡的价值。各方媒体对GPS进行了不断地报道和赞誉，1995年美国宣告GPS正式进入全面的运行状态。

1.2 GPS的组成概况

GPS由三个独立的部分组成：

1. 空间星座部分
2. 地面监控部分
3. 用户设备部分

因此，GPS系统的工作原理可以简单地描述为：

首先空间星座部分的各颗卫星向地面发送信号，其次地面监控部分通过接受和测量各个卫星信号，进而确定卫星的运行轨道，并将卫星的运行轨道信息发射给卫星，让卫星在其发射的信号山转播这些卫星运行轨道信息，进而确定用户接收机自身的空间位置。

和1.1中所说的多普勒效应下的测量值相比，GPS用户设备部分测量的是他们到卫星的距离。如果我们不了解GPS定位原理可能会误认为卫星本身是知道自己的运行情况的，但实际上这是地面观测站所做的工作。

特别需要强调的是空间星座部分与用户设备部分有联系，但是这种联系是单向的，信号和信息只从空间星座向用户设备部分传递，用户设备不会传递信息给卫星系统。

1.2.1 空间星座部分

下面是我整理的一些知识点：

• GPS空间星座部分是由21颗工作微信和3颗备用微信组成的，但是目前处于正常运行状态的实际卫星数更多了。
• 这些微信分布在6个轨道上，每个轨道不均匀的分布着4颗卫星
• 每个轨道面和地球赤道夹角约为55°，相邻两个轨道面升交点经度相差60°，而相邻轨道上邻近卫星的升交点角距又相差约30°
• GPS微信属于地球中轨卫星，卫星轨道的平均高度约为20200km，运行轨道很接近于正圆的椭圆
• 卫星的运行周期为11小时58分，所以考虑到地球24小时的自转周期，相对于地面上的固定观测点来说，卫星的运行和分布状况大约每隔23小时56分重复一次。

• 导航卫星GPS卫星的硬件主要包括无线电收发装置、原子钟、计算机、太阳能板和推进系统。

1.2.2 地面监控部分

地面监控部分主要由分布在全球的一个主控站、4个注入站和6个监测站组成。其中主控站的作用主要是：

1. 监视所有卫星的运行轨道。
2. 计算卫星钟差，确保各颗卫星的原子钟和主控站的原子钟同步，维护GPS时间基准。
3. 计算卫星的星历参数。
4. 计算大气层延时等导航电文中包含的各个修正参数。
5. 更新卫星的导航电文，并将其传送给注入站。
6. 发送用以调整卫星轨道的控制命令，确保卫星沿预定轨道运行。
7. 监视卫星是否正常工作，并在卫星出现故障/失效的情况启用备用卫星。

1.2.3 用户设备部分

GPS并不会替用户定位，用户只有通过GPS用户设备才能实现定位。用户设备也就是我们说的接收机，接收机主要由接收机硬件/数据处理软件/微处理机和终端设备组成，用户设备的主要任务是跟踪可见的GPS卫星，对接收到的卫星无线电信号经过数据处理后获得定位所需要的测量值和导航信息，最后完成对用户的定位运算和可能的导航任务。

通过天线接收所有的可见卫星信号后，接收机对这些信号进行数据处理而精确地测量出各个卫星信号的发射时间，接着将其自备时钟所显示的信号接收时间与测量所得的信号发射时间相减后再乘以光速，由此得到接收机与卫星之间的距离。同时，接收机还从卫星信号中解析出卫星的运行轨道参数，并以此精确的计算出卫星的空间位置。

如果卫星n，n=1，2，3的空间位置在以直角坐标系中的坐标是已知的，而接收机测量得到其本身到该卫星的距离为一个未知数，那么就可以根据距离方程得到一个方程式：

（x，y，z）是我们想要得到的接收机的位置坐标，当然，因为接收机时钟通常和卫星时钟不同步，所以我们需要第四颗卫星提供发射时间，根据四个方程和四个未知数，我们就可以求得当前接收机的位置以及接收机接收到的时间。

这就是我们所说的绝对定位，它直接给出了用户在某一空间坐标系中的绝对位置。

那么相对定位则是另一种定位形式，它只会给出用户位置相对于某一个参考点的偏移量。

1.3 GPS提供的服务和限制

GPS的设计和运行中采用了多种措施，为不同等级的用户提供了两种不同的定位服务方式：

• 标准定位服务 SPS
• 精密定位服务 PPS

这两种服务的最大区别在于调制GPS无线电载波信号的不同测距码，包括以下两种

• C/A码 粗码
• P码 精码

面向民用的标准定位服务就是C/A码，而P码则是面向军方使用。

GPS采取了反电子欺骗的措施对公开的P码进行加密，加密后的P码又被叫做Y码。

GPS还会通过对GPS信号进行人为干扰，以故意降低标准服务的定位精度，这一政策被称之为SA，为了有效对抗这种政策，我们可以使用差分GPS（DGPS）进行定位精度的提升。这一技术利用同一颗卫星的测量值具有空间上和时间上相关性的事实来消除不同接收机之间测量误差的公共部分。

我们将接收机利用差分技术来降低测量误差的定位方式称为差分定位。

将GPS接收机在没有或者不利用差分定位技术来降低测量误差的方式称之为单点定位。

需要注意的是美国为了提高GPS性能并使得GPS更好的为世界各国接收，目前已经终止了SA政策。

1.4 各国卫星导航系统的概况

这里着重介绍一点：

GPS是一个接收型、被动型或者说单向型的定位系统，地面上不管是否有GPS接收机，不管接收机是否需要定位，GPS卫星总是持续不断地向地面发射型号，当接收机需要定位的时候也没有必要请求信号。

而北斗导航系统是主动的，双向的定位系统，不仅用户设备和卫星之间需要接收地面中心控制系统的询问信号，而且用户设备还需要向卫星发射应答信号。中心控制系统首先在这些询问、应答信号的传递中测量得到用户接收机与卫星之间的距离信息，然后再解算出用户所在地的三维坐标，所以北斗接收机需要有接受和发送无线电信号的双重功能。

所以北斗导航系统的接收机就存在体积和重量以及价格方面的不利地位，还失去了无线电的隐蔽性，但是也是有很多优点的，比如说北斗导航系统具有定位和通信双重功能，所以它有能力不借助外接其他通信系统而将用户的定位结果转送给其他人，这在汶川大地震的救灾中发挥了重要的作用。

1.5 GPS的性能指标

包括GPS在内的所有定位系统，他们的性能基本上可以从以下4个方面来衡量：

1. 准确性：衡量定位结果与目标的真实位置相接近的程度，GPS精密定位服务在水平和垂直方向上的单点定位误差在96%的时间内分别为22m和27.7m，定时误差为200ns，在GPS关掉SA之后可以达到13m和22m。

   准确度和精度是两回事：

   准确度指的是定位的位置和真实位置之间的误差，而精度指的是在静态定位中，若接收机的多次定位结果基本集中于一点，我们就说定位精度很高，尽管这些定位值可能偏离真实值一个相当的距离。也就是说高精度并不一定意味着高准确度。

2. 正直性：正直性也可以叫做可靠性或者完整性，指的是定位系统在出现故障时能够及时警告用户，以免用户被非正常工作的定位系统所误导。

3. 连续性：系统在一段时间内能连续地同时满足所规定的准确性和正直性要求的概率。

4. 有效性：有效性是指定位系统能同时满足准确性、正直性和联系性要求的时间百分比。

   显然，有效性和和连续性与GPS的空间星座机器卫星信号的覆盖率关系很大

二、GPS信号及其导航电文

2.1 载波

GPS卫星所发射的信号从结构上可以分为三个层次

• 载波
• 伪码
• 数据码

其中伪码和数据码一起通过调制而依附在正弦波形式上的载波上，然后卫星将调制后的载波信号播发出去。

每颗GPS卫星用两个L波段频率（L1和L2）发射载波无线电信号，其中载波L1的频率f1为1575.42MHz，L2的频率f2为1227.60MHz，所以都属于特高频波段，根据公式我们可以知道L1的波长为19cm，L2的波长为24.4cm。

而原子钟提供的基准频率是10.23MHz，所以卫星时钟基准频率与上述两个载波频率在数值上存在以下关系：

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